In alcuni casi l’indisponibilità di una linea trifase rende necessario l’utilizzo di motori asincroni monofasi, detti anche motori monofasi ad induzione, utilizzati per potenze modeste, fino ad alcuni chilowatt, come elettrodomestici, pompe, ventilatori. Questi motori sono costruttivamente simili a quelli trifasi, anche se a parità di dimensioni e di velocità, presentano una potenza ridotta della metà, con l’avvolgimento statorico monofase e quello rotorico generalmente a gabbia.
L’avvolgimento statorico, che generalmente occupa i due terzi della periferia statorica ed è alimentato con una tensione sinusoidale, è percorso da una corrente che dà luogo ad una f.m.m. anch’essa alternativa sinusoidale. Al traferro avremo, quindi, un campo magnetico alternativo, cioè fisso nello spazio e di ampiezza variabile sinusoidalmente come la corrente.
In forza del cosiddetto teorema di Leblanc, un campo alternativo può considerarsi ottenuto dalla sovrapposizione di due campi magnetici aventi ugual valore costante, pari alla metà di quello massimo del campo alternativo, e rotanti con velocità angolari uguali ed opposte, pari proprio alla pulsazione della corrente statorica (con una coppia di poli). Ciascuno di questi campi produce gli stessi effetti che abbiamo visto per il motore trifase e, pertanto, si può ripetere quanto già detto per tale motore, cioè che ciascuno dei due campi magnetici rotanti, considerato singolarmente, sostiene f.e.m. e correnti nella gabbia rotorica. Questi due campi rotanti, sommati con quelli originati dallo statore, danno luogo al campo magnetico rotante risultante nel traferro.
Dall’azione tra campi magnetici e correnti indotte si originano due coppie motrici, uguali ed opposte, per cui se il rotore è fermo, esse si equilibrano a vicenda ed il
motore non parte; se però avviamo il motore, anche con una spinta, in un verso qualsiasi, il motore continuerà a ruotare in tale verso, accelerando e raggiungendo una velocità prossima a quella di sincronismo. Ciò è dovuto al fatto che la coppia dovuta al campo che ruota nello stesso senso del rotore (campo diretto) diventa maggiore rispetto alla coppia dovuta all’altro (campo inverso) e nasce quindi una coppia risultante con un verso pari a quello del rotore. Ne deriva che il motore asincrono monofase non ha un suo senso di rotazione, ma assume quello che gli viene impresso.
I diversi valori di coppia motrice che si hanno quando il motore ruota in un certo verso sono dovuti ai diversi valori dello scorrimento rispetto ai due campi rotanti, diretto ed inverso. Posto, con evidente significato dei simboli usati,
sD = n0 - n
n0 = 1 - n
n0 , sI = n0 - (- n)
n0 = 1 + n n0 , si ha immediatamente che
sD + sI = 2 .
Allora, quando il rotore è fermo n = 0, risulta sD = sI = 1; quando, invece, il rotore ruota a velocità di sincronismo nel verso diretto, n = n0, si ha sD = 0 e sI = 2. Possiamo quindi affermare che quando lo scorrimento del campo diretto varia da 1 a 0, quello del campo inverso passa da 1 a 2. Tracciata la caratteristica meccanica per valori dello scorrimento da 0 a 2 (Figura 3.45), si hanno i valori della coppia dovuti al campo diretto per 0 < s < 1 e quelli dovuti al campo inverso per 1 < s < 2. Ribaltando i valori della coppia, per s variabile da 1 a 2, intorno al punto s = 1 e sottraendo le due ordinate si avrà il diagramma risultante, mostrato in Figura 3.47, da cui risulta che la coppia è pari a zero non solo a velocità di sincronismo ma anche a rotore fermo, s = 1.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Coppia
s Diretta
Inversa
Complessiva
Figura 3.47: coppia del motore monofase ad induzione.
Dalla Figura 3.47 si può, inoltre, osservare che il motore asincrono monofase funziona, rispetto a quello trifase, con uno scorrimento maggiore, la prima parte della caratteristica è meno ripida, quindi con rendimento e fattore di potenza più bassi.
Per quanto detto, se non si adotta qualche accorgimento, il motore asincrono monofase non parte. Un accorgimento potrebbe essere quello di dotare lo statore di due avvolgimenti, sfasati di π/2, uno permanentemente inserito, detto avvolgimento principale o di lavoro, l’altro, detto avvolgimento ausiliario o di avviamento, che può rimanere oppure non rimanere inserito dopo l’avviamento e percorsi da correnti sfasate di π/2 in modo da creare un campo rotante bifase. In generale, queste condizioni non vengono mai soddisfatte per cui nel motore asincrono monofase non si avrà quasi mai un campo magnetico rotante perfetto, circolare, ma un campo di ampiezza non costante, ellittico, in grado comunque di avviare il motore. Il disinserimento dell’avvolgimento ausiliario avviene tramite un interruttore centrifugo che interviene generalmente ai tre quarti della velocità di sincronismo. Inoltre, l’avvolgimento ausiliario può essere attraversato da notevoli correnti, dato il breve lasso di tempo di funzionamento, per avere coppie di spunto elevate.
Descriviamo ora, in qualche dettaglio, alcuni dei vari tipi di avviamento per motori asincroni monofasi, sempre e solo di piccola potenza. I due avvolgimenti, dovendo essere alimentati alla stessa tensione per avere le due correnti sfasate tra
loro di circa π/2, dovranno presentare impedenze diverse, per cui avremo il motore a flussi sfasati, il motore a condensatore e il motore a polo schermato.
Nel motore a flussi sfasati, schematicamente mostrato in Figura 3.48, l’avvolgimento ausiliario, inserito solo in fase d’avviamento, presenta una resistenza elevata per cui le due correnti, assorbite dai due avvolgimenti, sono tra loro sfasate.
− +
Marcia
Avviamento V
IA IM
V IM IA
Figura 3.48: schema di avviamento di un motore a flussi schermati.
Il motore a condensatore può essere di due tipi. Il primo tipo è con condensatore permanentemente inserito ed è mostrato in Figura 3.49.
Motore Avvolgimento
principale +
−
I V
IP
IA
I IA
IP π/4
π/4 V
Figura 3.49: asincrono monofase con condensatore permanentemente inserito.
Il secondo tipo è quello in cui il condensatore può essere inserito e disinserito, come suggerito in Figura 3.50.
Motore Avvolgimento
principale +
− V
IP
IA
IA
IP
V
Avvolgimento di avviamento
Interruttore
Figura 3.50: asincrono monofase con condensatore che può essere disinserito.
Questi motori presentano notevoli coppie di spunto ed un fattore di potenza particolarmente elevato. Inoltre, possono presentare anche un doppio condensatore, uno permanentemente inserito, quindi notevolmente robusto, e l’altro solo in avviamento, di tipo elettrolitico, più economico.
Il motore a polo schermato, anche detto motore con spira in cortocircuito, mostrato in Figura 3.51, presenta i poli statorici sporgenti e su ciascun polo viene praticata una scanalatura, fasciata con una sola o poche spire chiuse in cortocircuito che fungono da polo ausiliario. Le spire in cortocircuito sono attraversate da una corrente indotta dovuta al flusso variabile e, quindi, si viene a creare un rudimentale campo rotante che è in grado di avviare il motore. Questi motori sono però di limitata potenza (100 W al massimo) e rendimento, ma sono molto semplici e robusti.
Avvolgimento principale Avvolgimento ausiliario Circuito magnetico statorico Rotore a gabbia
Figura 3.51: motore monofase con spira in cortocircuito.